Física 2º Bachillerato Física Nuclear Apuntes

Física. 23. Física nuclear. 1

23. FÍSICA NUCLEAR.

Estructura del núcleo atómico.

• Rutherford, en 1.911, llegó a la conclusión de que el átomo está formado por una corte-za en la que se encuentran los electrones y un núcleo. El núcleo tiene dimensiones muy pequeñas comparadas con las del átomo, posee una gran densidad y contiene la carga posi-tiva y casi toda la masa atómica. El núcleo está constituido por dos tipos de partículas: protones y neutrones, recibiendo ambas el nombre de nucleones. Se llama número atómico (Z) al número de protones de un núcleo, y número másico (A) al número de nucleones. El número atómico es característico de cada elemento químico. Se denomina núclido al conjunto de los núcleos con igual número atómico y másico. Un núclido se designa por , siendo X el símbolo del elemento químico correspondiente. XA

Z

Para casi todos los núclidos conocidos, el número de neutrones es mayor o igual que el de protones. La razón N/Z, donde N representa el número de neutrones, varía desde 1, para los núclidos más ligeros, hasta 1’6, para los más pesados.

• El tamaño de los nucleones es del orden de magnitud de 10–15 m. La carga del protón es positiva, y su magnitud es igual que la del electrón: e = 1’60·10–19 C. El neutrón carece de carga neta. La masa en reposo del protón y la del neutrón es muy parecida, de unos 1’67· 10–27 Kg. Esta masa es mucho mayor que la del electrón (9’11·10–31 Kg). Es frecuente emplear la unidad de masa atómica (uma), que se define como la doceava parte de la masa de un átomo de : . C12

6 Kg10·67'1uma1 27−=

Experimentalmente se ha determinado que el volumen del núcleo es proporcional al núme-ro másico. Si suponemos que el núcleo es esférico, entonces su radio será proporcional a 3 A . En efecto, 3

0 Arr = , siendo r0 el radio del núcleo del , constituido por un solo protón.

H11

Al ser el volumen del núcleo proporcional al número de nucleones que contiene, cabe es-perar que la distancia media entre nucleones permanece constante para todos los núcleos, por lo que éstos tendrán densidad constante. Si tomamos como referencia el núcleo del , es decir, el protón, se obtiene una densidad del orden de 10

H11

18 Kg/m3. Puesto que la densi-dad de la materia macroscópica conocida es aproximadamente 1015 veces menor, se con-cluye que ésta está formada principalmente por espacio vacío.

• Se dice que dos átomos son isótopos cuando tienen igual número atómico y distinto número másico. Por tanto, dos isótopos tienen igual número de protones y distinto número de neutrones. Es decir, dos isótopos son átomos del mismo elemento con distinta masa. Se dice que dos átomos son isótonos si tienen el mismo número de neutrones y distinto número atómico. Se dice que dos átomos son isobaros si tienen el mismo número másico y distinto número atómico.


Isótopos del hidrógeno y del carbono.

Defecto de masa. Energía de enlace.

• Se denomina defecto de masa de un núcleo a la diferencia entre la suma de las masas de los nucleones que lo componen y la masa de dicho núcleo:

( ) MmZAmZm NP −⋅−+⋅=Δ , siendo: Δm ≡ defecto de masa; mP ≡ masa del protón; mN ≡ masa del neutrón; M ≡ masa del núcleo. El defecto de masa siempre es positivo, y representa la masa que se convertiría en energía, de acuerdo con la ecuación de Einstein, en la formación del núcleo a partir de los nucleo-nes que lo constituyen. Dicha energía recibe el nombre de energía de enlace o energía de ligadura, y es . 2

e cmE ⋅Δ=

• En la práctica no se mide la masa del núcleo, sino la del átomo, por lo que mP se susti-tuye por la masa del átomo de , y M por la masa atómica del elemento considerado. De este modo, se están sumando y restando las masas de los electrones que tenga el átomo. El error cometido al no tener en cuenta la energía de enlace de los electrones es muy pequeño.

H11

• La energía de enlace por nucleón (Ee/A) de los elementos más ligeros es muy baja, alcanzando máximos relativos para los elementos en los que A es múltiplo de 4. A partir de A = 16 cambia la tendencia y se mantiene cercana a 8 MeV, alcanzando su valor máximo absoluto para el . Ni60

28


Fuerzas nucleares.

• El hecho de que un núcleo atómico sea un sistema estable a pesar de las fuerzas elec-trostáticas de repulsión entre los protones, pone de manifiesto la existencia de unas fuerzas nucleares de atracción, que actúan sobre protones y neutrones. La formulación matemática de estas fuerzas no es conocida, por lo que los razonamientos sobre la estructura y estabilidad del núcleo se basan en observaciones experimentales.

• Puesto que la energía de enlace por nucleón es casi constante para la mayoría de los núcleos, cabe pensar que cada nucleón interactúa sólo con los nucleones que están alrede-dor suya, y no con todos los del núcleo, ya que en ese caso la energía de enlace por nu-cleón debería ser proporcional al número de nucleones.

Como las fuerzas electrostáticas de repulsión, desestabilizadoras, sí tienen lugar entre to-dos los protones del núcleo, los núcleos con un número grande de protones deben ser ines-tables, como en efecto se observa experimentalmente.

• Se ha observado también que las fuerzas nucleares tienen un alcance de unos 2·10–15 m. y su intensidad es unas 100 veces mayor que la de las fuerzas de repulsión electrostáticas. Como ya se ha dicho, estas fuerzas son atractivas, pero se ha observado que a distancias menores de 10–15 m. se vuelven repulsivas.

• Otra propiedad de las fuerzas nucleares es la independencia de carga. Es decir, que en condiciones idénticas, las fuerzas nucleares protón–protón, protón–neutrón y neutrón–neutrón son iguales.

• También se ha observado las fuerzas nucleares son tensoriales, es decir, que su intensi-dad no es la misma en todas las direcciones.

• Basándose en estas observaciones experimentales, Weiszäcker encontró en 1.935 una expresión empírica para la energía de enlace:

( ) 43

512

43

123

32

21e AaAZNaAZaAaAaE −−−+−−−−= ,

siendo los valores de los coeficientes: a1 = 15’760, a2 = 17’810, a3 = 0’711, a4 = 23’702, a5 = ± 34 ó 0, todos en MeV. El término a1A tiene en cuenta que la energía de enlace por nucleón es aproximadamente constante, con lo que la energía de enlace debe ser aproximadamente proporcional al nú-mero de nucleones.


El término 32

2Aa− es negativo porque los nucleones que están en la superficie del núcleo están menos ligados que los demás, ya que tienen menos vecinos con los que interactuar, y es proporcional a 3

2A porque debe ser proporcional a la superficie del núcleo.

El término 312

3 AZa −− es negativo porque da cuenta de la energía de repulsión electrostá-

tica entre los protones, que es directamente proporcional al cuadrado de las cargas e inver-samente proporcional al radio del núcleo.

El término refleja la observación experimental de la energía de enlace de átomos isobaros disminuye a medida que aumenta la diferencia entre el número de neutro-nes y el de protones. Como esta tendencia es más acusada para átomos ligeros, este térmi-no se hace inversamente proporcional al número másico.

( ) 124 AZNa −−−

El término 43

5 Aa − se añade para reflejar el hecho de que los núcleos con Z par y N par son más estables que aquéllos con A impar (Z par y N impar o Z impar y N par), y éstos más estables que los que tienen Z impar y N impar. Por ello, se toma a5 = 34 MeV si Z y N son pares, a5 = 0 si A es impar y a5 = –34 MeV si Z y N son impares.

Radiactividad.

• Se denomina radiactividad a la emisión de partículas o fotones por un núcleo atómico, transformándose así en otro núcleo. Dicha transformación se denomina transmutación ra-diactiva. La radiactividad es una propiedad de ciertos núcleos, que se presenta con independencia de que se hallen aislados o rodeados de otros núcleos iguales o distintos. Fue observada por primera vez por Becquerel en 1.896.

• Las transmutaciones radiactivas pueden expresarse como una reacción química:

qYX ba

'A'Z

AZ +→

X e Y representan los elementos inicial y final, y q la partícula emitida. Siempre deben ser a'ZZ += y b'AA += .

Estabilidad de los núcleos.

• Se denomina núclido estable a aquél que no experimenta espontáneamente transmuta-ciones radiactivas. Los núclidos más ligeros son estables si N/Z es aproximadamente 1. A partir del esa relación va aumentando, hasta valer 1’5 para el .

Ca4020

Pb20882

• Experimentalmente se han deducido las siguientes reglas: – Proposición de Mattauch.– Para un Z dado, sólo puede existir un núclido estable con A impar. – Regla de Aston.– Los núclidos con Z impar pueden tener dos isótopos estables. Los de Z par pueden tener más de dos.

Tipos de transmutaciones radiactivas.

• Emisión de partículas α.– Las partículas α son núcleos de , compuestos por dos protones y dos neutrones, que tienen por tanto carga positiva +2e. Son emitidas a unos 10

He42

7 m/s.


Cuando un núcleo emite una partícula α, se transforma en otro con 4 unidades menos de número másico y 2 unidades menos de número atómico. Ejemplo:

α+→ 42

23490

23890 ThU

La emisión de partículas α sólo se produce si resulta energéticamente favorable para los nucleones, es decir, si la suma de las energías de enlace de los productos de la reacción es igual o mayor que la del núcleo inicial:

( ) ( ) ( )α+−−≤ eee E2N,2ZEN,ZE

Esto sólo ocurre en núcleos con Z > 82, por lo que son éstos los únicos que emiten partícu-las α. De entre todos los procesos de emisión de nucleones que podamos imaginar, el que es más favorable energéticamente es la emisión de partículas α, debido al elevado valor de Ee(α), por ello es el único que realmente ocurre.

• Emisión de partículas β.– Pueden emitirse partículas β– o β+. Las partículas β–, o β a secas, son electrones que se emiten en una gama amplia de velocidades, que pueden llegar a 0’9995c, mientras que las partículas β+ son positrones, partículas con igual masa que los electrones pero con carga de signo contrario, igual que la del protón. Los electrones se generan en el núcleo cuando un neutrón se transforma en un protón. Por tanto, en la emisión β el núcleo inicial se transmuta en otro de igual número másico y de número atómico una unidad mayor. Ejemplo:

β+→ −0 1

156

14155 BaCs

Los positrones se generan en el núcleo cuando un protón se transforma en un neutrón. Por tanto, en la emisión β+ el núcleo inicial se transmuta en otro de igual número másico y de número atómico una unidad menor. Ejemplo:

+β+→ 01

14161

14162 PmSm

Sin embargo, se comprobó que la emisión de partículas β tal como se ha considerado viola-ría el principio de conservación de la masa–energía. Por ello, Pauli postuló en 1.930 la existencia de una partícula adicional que se emite junto a la partícula β: el neutrino (ν). Esta partícula debe tener carga nula y masa menor que la del electrón. En 1.955 se observó dicha partícula, así como el antineutrino ( ν ), también de carga nula y masa menor que la del electrón. Por tanto, el modo correcto de formular las reacciones anteriores es:

ν+β+→ −001

156

14155 BaCs 0 ν+β+→ + 0

001

14161

14162 PmSm

• Emisión de rayos γ.– La radiación γ está constituida por fotones de alta energía, supe-rior a la de los rayos X. Cuando el núcleo la emite, no cambian su número atómico ni su número másico. Para que se produzca la emisión de rayos γ, el núcleo inicial debe encontrarse en un estado excitado, lo que suele ocurrir tras una desintegración α o β.

Leyes de la radiactividad.

• Las leyes que rigen los procesos radiactivos son de carácter estadístico. No predicen en qué instante un átomo radiactivo se va a desintegrar, sino la probabilidad de que se desin-


tegre durante un cierto intervalo de tiempo, que es exactamente la misma para todos los núcleos, independientemente de su historia anterior.

• Ley de las transmutaciones radiactivas de Rutherford.– El número de átomos de un elemento radiactivo que se desintegran por unidad de tiempo es proporcional al número total de dichos átomos existentes en la muestra de material:

NdtdN

⋅λ−= ,

siendo: N ≡ número de átomos sin desintegrarse; λ ≡ constante de desintegración. El signo menos de la fórmula indica que a medida que transcurre el tiempo, disminuye el número de átomos que quedan sin desintegrarse. La constante λ representa el tanto por uno de átomos desintegrados por unidad de tiempo.

• Por integración de la expresión anterior se obtiene: t

0eNN λ−= ,

siendo N0 ≡ número inicial de átomos sin desintegrarse.

• Se define el período de semidesintegración (T) de una sustancia como el tiempo nece-sario para que se desintegren la mitad del número de núclidos radiactivos que contiene.

Entonces: T0

0 eN2

N λ−= .

Por tanto:

λ=

2lnT

La vida media (τ) de los átomos de una muestra se define como el inverso de la constante de desintegración:

λ=τ

1

τ representa el tiempo promedio que tarda en desintegrarse un núclido radiactivo de la muestra.

• Se define la actividad de una muestra radiactiva como el número de desintegraciones que se producen en ella por unidad de tiempo:

dtdNA =

La unidad S.I. de actividad es el Becquerel (Bq), que equivale a una desintegración por segundo. Otras unidades son:

Curie (Ci): . Bq1070'3Ci1 10⋅=

Rutherford: . Bq10rutherford1 6=

De la ley de Rutherford se obtiene:

NA ⋅λ=


Series radiactivas.

• Cuando un elemento radiactivo se desintegra puede ocurrir que el elemento hijo sea también radiactivo, con lo que se desintegrará para dar lugar a otro elemento, y así sucesi-vamente. El conjunto de elementos ligados entre sí por desintegraciones sucesivas se de-nomina familia o serie radiactiva.

Puesto que las desintegraciones se producen por emisión de partículas α o β, los números másicos de los elementos sucesivos de una serie radiactiva difieren entre sí en múltiplos enteros de 4.

• En la naturaleza se conocen cuatro series radiactivas: la del torio, la del neptunio, la del uranio y la del actino. La del torio comienza en el y termina en el . Th232

90 Pb20882

La del neptunio comienza en el y termina en el . Np23798 Bi209

83

La del uranio comienza en el y termina en el . U23892 Pb206

82

La del actinio comienza en el y termina en el . U23592 Pb207

82

Efectos de la radiación en la materia inerte y en los seres vivos.

• Cuando las radiaciones emitidas en los procesos radiactivos interaccionan con la mate-ria, provocan alteraciones en ella. Pueden distinguirse dos efectos generales: – Excitación de los electrones de los átomos del material irradiado, que pasan a un nivel energético superior y vuelven después al nivel inicial emitiendo radiación electromagnéti-ca. – Ionización de los átomos del material irradiado, debido a que algunos electrones salen de ellos. La excitación o ionización de los átomos y moléculas del material irradiado puede dar lu-gar a la formación de iones y radicales libres, y la reacción de dichas partículas entre sí, originándose productos que no estaban inicialmente presentes en el material.

• Los factores de los que dependen los efectos que un tipo determinado de radiación pro-duce sobre la materia son su capacidad de ionización y su poder de penetración. Las partículas α tienen gran capacidad de ionización, por lo que es suficiente que pasen cerca de los electrones externos de un átomo para que consigan excitarlo o ionizarlo, y un poder de penetración muy débil, es decir, que pierden energía cinética muy rápidamente. Las partículas β y β+ tienen menor capacidad de ionización y mayor poder de penetración. Los rayos γ y los neutrones (a continuación veremos que estos últimos pueden producirse en algunas reacciones nucleares) tienen una capacidad de ionización muy baja y un poder de penetración elevadísimo.

• Los efectos de la radiación sobre la materia se agudizan en los sistemas bioquímicos. En el caso de las células, puede provocar lesiones morfológicas y funcionales, que pueden dar lugar a que en el individuo irradiado aparezcan lesiones somáticas inmediatas o tardías y/o alteraciones genéticas. En general, cuanto más evolucionado es un organismo, más sensible es a las radiaciones. Las alteraciones que produce la radiación en la materia viva también puede tener efectos beneficiosos para ésta. La Radiología es la especialidad médica que utiliza la radiación para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.


Reacciones nucleares.

Conceptos generales.

• Se denominan reacciones nucleares a las que tienen lugar entre núcleos atómicos, o entre un núcleo y una partícula o un fotón γ.

• Las reacciones nucleares son mucho menos frecuentes que las reacciones entre átomos porque el diámetro del núcleo es unas 105 veces menor que el del átomo, y porque entre los núcleos existe repulsión electrostática. En las estrellas, donde la temperatura es de varios millones de grados, los núcleos tienen suficiente energía cinética para vencer la repulsión culombiana y se producen este tipo de reacciones. En este caso, se denominan termonucleares. En condiciones ordinarias, las reacciones nucleares se llevan a cabo bombardeando los núcleos con neutrones o partículas cargadas (α, protones, núcleos de deuterón), que pre-viamente han sido dotadas de gran energía cinética en un acelerador de partículas.

• Una reacción nuclear puede simbolizarse abreviadamente por: A (a,b) B

A ≡ blanco ≡ núcleo inicial; B ≡ núcleo residual ≡ núcleo final; a ≡ proyectil ≡ partícula acelerada con que se bombardea el blanco; b ≡ partícula emitida.

Tipos de reacciones nucleares.

• Las reacciones nucleares pueden clasificarse en: – Reacciones de dispersión.– Son aquéllas en las que los reactivos y los productos son idénticos (A = B, a = b).

Si, además, la energía cinética del núcleo y de la partícula es igual antes y después de la reacción, la dispersión se denomina elástica. Si es distinta, inelástica. En las dispersiones inelásticas en las que la energía cinética final del núcleo es mayor que la inicial, es decir, en las que el núcleo queda en un estado excitado, éste suele volver al estado fundamental emitiendo radiación γ.

– Reacciones de transmutación.– Son aquéllas en las que todos o algunos de los produc-tos son distintos de los reactivos (A ≠ B y/o a ≠ b). Dos casos particulares son:

o Reacciones fotonucleares.– El proyectil es un fotón γ. Ejemplo:

nBeBe 10

84

94 +→γ+

o Capturas radiactivas.– La partícula emitida es un fotón γ. Ejemplo:

γ+→+ NpC 137

11

126

– Reacciones de fisión.– Son aquéllas en las que un núcleo pesado se escinde en dos nú-cleos de masas aproximadamente iguales. Es decir, que b no es en este caso una partícula de las citadas, sino un núcleo de masa parecida a la de B.

Ejemplo:

n3KrBanU 10

9236

14156

10

23592 ++→+


– Reacciones de fusión.– Son aquéllas en las que dos núcleos ligeros se combinan para dar otro más pesado. Es decir, que A y a son partículas o núcleos ligeros de masas pareci-das.

Ejemplo:

γ+→+ HeHH 32

11

21

Energética de las reacciones nucleares.

• El calor absorbido o desprendido en una reacción nuclear A (a,b) B es la diferencia entre las energías cinéticas finales e iniciales:

a,Cb,CB,C EEEQ −+= ,

donde EC representa la energía cinética de cada partícula, y se ha considerado que el blanco estaba en reposo. Por otra parte, de acuerdo con el principio de conservación de la masa–energía, se tiene:

( ) ( ) ( )2bb,C

2BB,C

2aa,C

2A cmEcmEcmEcm +++=++ ,

Entonces:

( ) 2bBaA cmmmmQ −−+=

Es decir: 2cmQ ⋅Δ−= ,

siendo Δm la variación de masa producida en la reacción.

• Q puede ser positivo, negativo o nulo. Esto último sólo ocurre en la dispersión elástica.

Sección eficaz.

• Se define la sección eficaz de una reacción nuclear (σ) como el número de reacciones que tienen lugar por unidad de tiempo y por partícula incidente.

Su unidad es el barn: . 224 cm10barn1 −=

• La sección eficaz representa una medida de la probabilidad de que tenga lugar una de-terminada reacción nuclear. Si consideramos una plancha de material de 1 cm2 de superficie y de espesor dx, y llama-mos n al número de blancos por unidad de volumen, el número total de blancos en la plan-cha es : dxn ⋅

S = 1 cm2

dx


Por tanto, la sección eficaz que presentan entre todos los núcleos es dxn ⋅σ⋅ . Si sobre el material inciden N proyectiles por unidad de tiempo, al atravesar el espesor dx habrán re-accionado dN proyectiles. Entonces, de acuerdo con la definición de sección eficaz, se tiene que:

dxnNdN

⋅σ⋅=−

Si consideramos ahora una plancha de espesor finito x, en la que inciden N0 proyectiles por unidad de tiempo y emergen sin reaccionar N, se tiene:

xn0

0

x

0

N

NeNNxn

NNlndxn

NdN

0

⋅σ⋅−=⇒⋅σ⋅−=⇒⋅σ⋅−= ∫∫

Como el número de reacciones que se han producido es NNR 0 −= , se obtiene:

( )xn0 e1NR σ−−=

Fisión.

• En las reacciones de fisión, un núcleo pesado se escinde en dos núcleos de masas aproximadamente iguales. La fisión puede ser espontánea o inducida. En la fisión espontánea, el núcleo escindido no absorbe previamente ninguna partícula, sino que se escinde desde su estado fundamental. Tiene lugar cuando la energía de enlace por nucleón del átomo inicial es menor que la correspondiente a los núcleos originados, lo que sucede en átomos muy pesados. La fisión espontánea, por tanto, es siempre un proceso exotérmico. En la fisión inducida, el núcleo pesado captura una partícula, formándose un nuevo núcleo en un estado excitado, que se desintegra en dos fragmentos. Este proceso puede ser exo-térmico o endotérmico. La partícula capturada suele ser un neutrón, que al no tener que vencer repulsiones electrostáticas puede producir la reacción con menos energía cinética que otras partículas. En efecto, el U235

92 l Pu23994 eacciones de fisión al ser bombar-

deados con neutrones de energía cinética de unos 0’03 eV, que se denominan neutrones térmicos. Otros núclidos requieren de los denominados neutrones rápidos, de energía ciné-tica del orden de 1 MeV.

y e dan r

• En las fisiones del , y se libera una gran cantidad de energía, ya que la masa de los productos de la reacción es menor que la de los reactivos, unos 198 MeV por cada átomo escindido, lo que representa 2·10

U23392 U235

92 Pu23994

6 veces la energía liberada en la combus-tión de un átomo de carbono.

• La fisión de un núcleo puede originar muchas parejas de núcleos diferentes. El , por ejemplo, puede fisionarse de más de 40 formas diferentes. Por ejemplo:

U23592

nYIUn2SrXeU

n3KrBaU

10

9639

13953

23592

10

9538

13954

23592

10

9256

14156

23592

++→

++→

++→

En muchos casos, estos núclidos resultantes de la fisión son radiactivos.


• Además de los núcleos originados, en las reacciones de fisión se emiten neutrones rá-pidos. Por ejemplo, en la fisión del se emiten en promedio 2’47 neutrones por cada átomo desintegrado. Si estos neutrones pierden energía cinética por choques dentro del dispositivo donde tiene lugar la reacción, se convierten en neutrones térmicos capaces de provocar nuevas reacciones de fisión. De este modo, la fisión se convierte en una reacción en cadena.

U23592

La gran energía liberada en la fisión de algunos núclidos, junto con la posibilidad de auto-mantenerse, han hecho que se emplee la fisión como fuente de energía a escala industrial. Para ello se emplean reactores nucleares, que son dispositivos que pueden provocar y au-tomantener reacciones de fisión en cadena y controlar su velocidad.

El material que se emplea como reactivo de la fisión se denomina combustible, y actual-mente es , ó . Además, los reactores contienen un material fértil, que está constituido por núclidos que originan combustible mediante procesos radiactivos. Los átomos que se emplean como material fértil son y , que generan y

, respectivamente:

U23392 U235

92 Pu23994

U23892 Th232

90 Pu23994

U23392

β+→

β+→

γ+→+

−

−

0

0

123994

23993

123993

23992

23992

10

23892

PuNpNpU

UnU

β+→

β+→

γ+→+

−

−

0

0

123392

23391

123391

23390

23390

10

23290

UPaPaTh

ThnTh

Con el combustible y el material fértil aparece mezclado un material denominado modera-dor, cuya finalidad es transformar los neutrones rápidos emitidos en la fisión en neutrones térmicos, capaces de provocar nuevas reacciones de fisión. Suele tratarse de agua, agua pesada o grafito. Rodeando el núcleo del reactor hay una envoltura de material moderador denomina reflec-tor, que devuelve la mayor parte de los neutrones que se escapan. Las denominadas barras de control se emplean para absorber neutrones, con lo que mo-viéndolas adecuadamente se consigue controlar la velocidad del proceso. Están construidas con cadmio o boro, y tienen una elevada sección eficaz para las capturas de neutrones. Envolviendo a todos los elementos citados se encuentra el blindaje, cuya función es absor-ber las radiaciones que se producen en el núcleo.


El calor generado en las fisiones es extraído por el refrigerante primario, que suele ser agua a una presión de unas 150 atm. Debido a esta elevada presión, se mantiene líquida a pesar de que alcanza una temperatura de unos 300 ºC. En un intercambiador de calor, le cede energía al llamado refrigerante secundario, que también es agua, que pasa a estado gas y mueve la turbina de un alternador, produciendo así energía eléctrica. El vapor se en-fría con un gran depósito de agua, tal como un río o el mar.

• El principal problema asociado al uso de la fisión como fuente de energía radica en el tratamiento de los productos de deshecho, que son radiactivos, así como en la posibilidad de emisión al medio ambiente de combustible y productos radiactivos en caso de accidente grave. Hasta ahora no se ha encontrado ninguna solución satisfactoria al problema de los residuos radiactivos, limitándose las mediadas tomadas a su dilución en aguas continentales o mari-nas, o a su enterramiento bajo tierra o en el fondo del mar, lo que constituye un peligroso legado para las generaciones venideras. Estos problemas, debidos a la puesta en marcha de un procedimiento para la obtención de energía sin la suficiente previsión ni garantías de resolución de los problemas que pudieran presentarse, constituyen hoy en día una importante preocupación social.

Fusión.

• En las reacciones de fusión, dos núcleos ligeros se combinan y originan uno más pesa-do. Un ejemplo de reacciones de fusión son las reacciones que originan el ciclo protón–protón, que se produce en las estrellas jóvenes, tales como el Sol:

MeV85'12H2HeHeHe

MeV49'5HeHHMeV44'1HHH

11

42

32

32

32

11

21

00

01

21

11

11

++→+

+γ+→+

+ν+β+→+ +

El ciclo completo puede simbolizarse:

MeV71'2622HeH4 00

01

42

11 +γ+ν+β+→ +

• La fusión presenta varias ventajas frente a la fisión como fuente de energía. Las princi-pales son que se libera más energía por gramo de combustible y no se obtienen residuos radiactivos.


• La fusión de dos núcleos se producirá cuando éstos se aproximen lo suficiente como para que las fuerzas nucleares sean efectivas. Para ello, los núcleos deben vencer la repul-sión electrostáticas, lo que conseguirán si poseen una elevada energía cinética. Esta energía cinética corresponde a una temperatura superior a 106 K, en la cual la materia está en esta-do de plasma, mezcla de núcleos y electrones libres. Actualmente es muy difícil conseguir tales temperaturas, así como recipientes que la soporten. Para aprovechar las ventajas que presenta la fusión frente a la fisión se está trabajando ac-tualmente en dos formas de obtención de la fusión controlada: el confinamiento inercial y el confinamiento magnético.

Física 2º Bachillerato Física Nuclear Apuntes

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